巷道掘进老空区水害综合防治技术_魏效农.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 我国西北部煤炭生产基地内拥有许多大型矿井 正在建设开发， 其煤质优良、 资源丰富， 为各行业生 巷道掘进老空区水害综合防治技术 魏效农 1， 方 刚 2,3,4， 刘 洋 2,3， 刘星合5， 白 晶 5 （1.陕西延长石油矿业有限责任公司， 陕西 西安 710065； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077； 3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 陕西 西安 710077； 4.西安科技大学 地质与环境学院， 陕西 西安 710054； 5.陕西延长石油集团 横山魏墙煤业有限公司， 陕西 榆林 719000） 摘要 以魏墙煤矿二盘区回风大巷延伸掘进区为研究对象， 通过对矿井地质、 水文地质条件进 行分析， 结合前期采用物探、 钻探等手段对老空区探查， 确定巷道掘进的主要充水威胁， 而后在 大巷掘进过程中进行超前钻探、 水化学分析， 最终保证巷道完成安全掘进。结果表明 矿井二盘 区大巷掘进前期， 通过地面三维地震、 瞬变电磁法勘探， 圈定了若干疑似老空异常区和富水区， 通过钻探工程、 电视测井等对老空区进行验证， 发现在井田二盘区南部边界存在老空区及积水 区。根据圈定范围设计巷道布局， 结合物探成果， 在最南侧的回风大巷掘进阶段进行井下超前钻 探， 同时对钻孔异常出水进行取样测试分析， 发现所探查区域未见老空区。 关键词 侏罗纪煤田； 巷道掘进； 老空区； 水害隐患； 综合防治技术 中图分类号 TD745.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0223-06 Comprehensive Prevention and Control Technology of Goaf Water Damage in Roadway Tunneling WEI Xiaonong1, FANG Gang2,3,4, LIU Yang2,3, LIU Xinghe5, BAI Jing5 （1.Shaanxi Yanchang Petroleum and Mining Co., Ltd., Xi’ an 710065, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China;3.Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Prevention and Control Technology, Xi’ an 710077, China;4.College of Geology and Environment, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China;5.Hengshan Weiqiang Coal Industry Company, Shaanxi Yanchang Petroleum Co., Ltd., Yulin 719000, China） Abstract The extended tunneling area of the return-air roadway in the second mining area of Weiqiang Coal Mine was taken as the research object. Through the analysis of mine geological and hydrogeological conditions, combined with the previous exploration of goaf by means of geophysical exploration and drilling, the main water-filling threat of roadway tunneling was determined. Then, in the process of roadway tunneling, advanced drilling and hydro -chemical analysis were carried out to ensure the safety of roadway tunneling. The results show that in the early stage of roadway tunneling in the second mining area of the mine, a number of suspected goaf abnormal areas and rich water area were delineated by surface 3D seismic and transient electromagnetic exploration. Through the verification of the goaf area by drilling engineering and TV logging, it is found that there are goaf and water areas in the south boundary of the second mining area of the coal field. According to the delineation range, the roadway layout was designed. Combined with the geophysical exploration results, advanced drilling was carried out in the underground during the heading stage of the return-air roadway on the southernmost side. At the same time, the abnormal water from the borehole was sampled and analyzed, and it was found that there was no goaf in the explored area. Key words Jurassic coalfield; roadway tunneling; goaf; water hazard; prevention and control technology DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.036 魏效农， 方刚， 刘洋， 等.巷道掘进老空区水害综合防治技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 223-228. WEI Xiaonong, FANG Gang, LIU Yang, et al. Comprehensive Prevention and Control Technology of Goaf Water Damage in Roadway Tunneling［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 223-228.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804100） ； 国家 自然科学基金资助项目 （41807221） 223 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 产提供能源动力保障。而受历史遗留原因所致， 其 中有部分矿井则面临周边或上覆老采空区及积水的 影响， 可能对其安全生产构成威胁[1-2]。由此， 矿井在 建设、 生产过程中， 临近以往老采空区附近时， 必须 提前分析地质及水文地质条件，采取探查和预防措 施应对可能存在的老空水害问题，避免影响矿井安 全的危险或事故发生[3-4]。 针对老空区及积水的形成和发展、该类水害隐 患的探查和防治、其影响的危险性分析和评价等相 关领域，多年以来，业内诸多研究人员及学者们从 不同角度、通过不同手段均开展了深入的研究工 作。题正义[5]等运用板壳理论和关键层理论建立采 空区覆岩变形破坏力学分析模型，结合经验公式和 数值模拟得出最大导水断裂带高度和底板破坏深 度，通过上部采空区积水危险性判定准则辨别采空 水害影响情况。周禹良[6]等通过构建煤巷老空突水 LR 型脆弱性指数预测模型， 基于罗吉斯回归原理得 出脆弱性指数与老空突水主控因素的回归方程， 由 此获取突水危险阈值并划分危险区。于景邨[7]等采 用三维时域有限差分法对老空水全空间瞬变电磁响 应进行数值模拟，发现当发射回线法与巷道掘进方 向一致时，巷道掘进方向的老空水比两侧位置的磁 场对时间导数曲线幅值更大，对应视电阻率曲线形 态相同、 极小值更低、 响应时间更早。姬中奎[8]等针 对大采面老空区积水采取联络巷密闭墙安装泄水闸 阀进行侧帮放水和在底板低洼处布设钻孔进行探放 水等方法。吕目晓[9]等建立河水水力渗透水文地质 模型，确定采动前后河水渗透补给采空区积水分为 采前低渗流和采后高渗流固液耦合作用 2 个阶段， 采用帷幕注浆切断河水与煤层顶板基岩风化裂隙含 水层之间补给联系。张本军[10]等提出老空水调查的 基本程序和内容，总结了老空水成灾的主要 5 类原 因， 认为预防老空水害的主要技术为 “探” 和 “放” ， 并应对老空积水 “查明、 探清、 放净、 管控” 。 方俊[11]等 将随钻测量定向钻进与常规回转钻进技术结合施工 定向长钻孔，实现了煤矿井下老空水的精确探查和 疏放。佟向阳[12]等针对我国西南地区主要存在的采 空区水害问题，提出加强煤矿防治水基础工作、 严 厉打击煤矿超层越界行为、设立区域性水害治理机 构、加强煤矿防治水专业技术培训等防治对策。蒋 勤涛 [13] 通过对比试验对瞬变电磁法发射线框的大 小、 发射频率、 采样延迟时间、 发射电流等进行优化 研究，在资料处理是先进行滤波消除噪声，再进行 时深转换去除地形起伏影响，以此探测复杂地形地 质条件下老空水赋存情况。周孟然[14]等提出将模糊 C 均值聚类 （FCM） 算法和多维标度分析 （MDS） 用于 激光诱导荧光光谱识别煤矿老空水和奥灰水等突水 水源。 黄福泉[15]等使用单台矿用射电水探测仪， 应用 射电定位法在井下对老空水井下探测定位，结合钻 孔验证， 误差在 820。 冯科技[16]针对浅部大面积 老空水害， 提出 “物探先行、 钻探疏放、 巷探验证” 的 治理技术方案。李伟[17]等针对闭坑矿井水害威胁临 近生产矿井情况开展研究，提出进行矿界煤柱安全 评价、 积水过程监测、 井下钻孔探查预疏、 泄水巷道 超前排水、 拦水闸墙设置、 井下明渠流量动态监测、 闭坑矿井井筒充填加固、老采空区边界综合探查治 理等防控技术。这些研究成果对老空水害防治具有 一定的指导作用， 基于此， 以榆横南区魏墙煤矿二盘 区回风大巷延伸掘进过程中面临老空水害影响为 例，通过对研究区水文地质条件分析老空水害威胁 程度， 提出不同阶段的探查和防治方法， 确保井下大 巷的安全掘进。 1研究区概况 魏墙煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横南区中北 部， 隶属陕西省榆林市横山区波罗镇、 横山镇行政管 辖。井田面积约 83 km2， 首采 3 号煤层， 核准生产能 力 6 Mt/a。根据矿井接续，需对二盘区逐步进行开 拓， 其东翼大巷位于盘区中部， 由西向东延伸， 在盘 区南部边界外， 存在张家洼小煤矿， 其开采时间早， 采空区分布情况不详，由于二盘区开拓大巷紧邻井 田边界， 结合相关规范[18-20]要求需对相关区域进行 探查，预防小煤矿老空区及积水对大巷开拓掘进可 能造成的影响和威胁，故以二盘区东翼大巷延伸掘 进区域为主要研究范围。研究区位置示意图如图 1。 研究区含煤地层为侏罗系延安组 （J2y） ， 底部为 三叠系瓦窑堡组 （T3w） 、 侏罗系富县组 （J1f） ， 上覆有 侏罗系直罗组 （J2z） 、 安定组 （J2a） 以及第四系 （Q） 松 散层等。研究区地质构造条件与井田类似，均较为 简单， 无较大地质变化， 地层及煤层倾角1， 经前期 勘探及采掘揭露， 未发现有导水构造。 根据矿井采掘经验， 井下大巷沿 3 号煤层 （煤厚 约 3.25 m、 平均埋深约 282 m） 掘进过程中的直接充 水水源为顶板侏罗系延安组第四段含水层水[21]， 该 含水层 （该层段在煤层顶板的厚度约 80 m） 富水性 弱 （单位涌水量 q≤0.1 L/ （s m） ） ， 巷道掘进过程中 的涌水量基本在 3040 m3/h 左右， 一般不会对矿井 安全造成影响。根据矿井以往调查，南部张家洼小 224 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 表 2地面钻探成果表 Table 2The surface drilling results 钻孔编号 煤层验证具体情况 ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 全煤 破碎 采空 采空 正常施工， 全煤段及顶底板岩层取心 钻孔岩心破碎， 顶板轻微卡钻 顶板卡钻、 煤层掉钻 （330.50 m 处掉钻 1.90 m ） 顶板卡钻、 煤层掉钻 （317.50 m 处掉钻 2.00 m ） 表 1三维地震成果表 Table 1The 3D seismic results table 异常区 编号 在研究区 分布位置 面积 /km2 北部边界距南部 井田边界距离/m 富水异常 分布位置 DK1 DK2 DK3 DK4 中南部 东部 西南部 中西部 0.170 00 0.011 00 0.000 31 0.000 22 中西部 整体 整体 整体 310 75 157 280 煤矿可能存在越界开采现象，二盘区东翼大巷延伸 掘进时主要可能面临老空区及积水威胁。 2探查技术 2.1前期探查 采用地面三维地震法和瞬变电磁法探查老空区 分布和积水情况[22-23]， 从而圈定异常区， 为后续钻探 工作开展提供靶区， 再通过取心钻探[24-25]和电视测 井对老空区进行成果验证。 1 ） 三维地震。通过地面三维地震法， 在研究区 解译了 4 处疑似老空异常区，分别为 DK1、 DK2、 DK3、 DK4 号区， 其均为不规则形状， 三维地震成果 见表 1。 2 ） 瞬变电磁。通过地面瞬变电磁法， 在研究区 解译了 2 处老空异常区，分别为 SK1、 SK2 号区， 基 本为矩形或矩形组合分布；还解译了 1 处 3 号煤顶 板含水层富水异常区 FS-1， 为不规则形状。SK1 号 区位于研究区西部， 为明显低阻异常区， 面积约 0.10 km2，推断为富水异常或老采空区积水井巷延伸区 域； SK2 号区位于研究区中南部，为中高阻异常区， 面积约 0.18 km2，异常区富水性较弱； FS-1 号区表 现为 3 号煤层顶板含水层富水异常，但富水性相对 较弱， 面积约 0.079 km2， 分析在井巷工程采掘至该 区域时， 煤层顶板表现为淋水或少量涌水现象。 3） 地面钻探。在研究区地面共施工有 4 个探查 验证钻孔， 分别为 ZK1、 ZK2、 ZK3、 ZK4 号钻孔， 地面 钻探成果见表 2。 根据现场地面钻探情况可知， ZK1 号钻孔施工 过程未发生漏水和卡钻现象， 煤层及顶底板取心率良 好， 分析该区域附近无采空区分布； 在 ZK2 号钻孔 施工至煤层顶板上方时发生轻微卡钻现象，钻孔可 能施工至煤柱位置， 造成其顶板取心破碎， 分析该区 域附近存在以往老采空区房柱式开采的老空区； 而 在 ZK3、 ZK4 号钻孔施工至煤层顶板上方时， 均发生 轻微卡钻， 且钻进至 320330 m 左右位置时发生漏 水、 掉钻现象， 掉钻深度约 2 m， ZK4 号钻孔还出现 吸风现象， 分析这 2 个钻孔附近区域存在老空区。 4） 电视测井。根据地面钻探发现的钻孔异常情 况，采用电视测井的方法进一步对老空区探查情况 进行验证，通过电视测井照片可直观发现老空区上 部裂隙及煤层孔洞， 地面钻孔电视测井照片如图 2。 综上所述，通过矿井二盘区东翼大巷掘进前期 开展的探查工作可知，研究区范围内存在一定的老 窑采空区及积水情况，故井下巷道掘进前应根据现 图 1研究区位置示意图 Fig.1Schematic diagram of study area location 225 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 3巷道超前钻探工程钻孔平剖面图 Fig.3Borehole plane and section of roadway advanced drilling project 场情况合理设计布置井巷工程，并在掘进过程中采 取超前探查技术手段预防老空水害。 2.2掘进探查 矿井二盘区东翼大巷将由北向南依次布置辅 运、 运输、 回风 3 条大巷， 各大巷相距 40 m， 自西向 东延伸开拓。根据前期探查成果，确定大巷掘进过 程中将面临揭露老采空区，故矿井将 3 条大巷位置 统一向北平移布置，其中，位于最南侧的二盘区回 风大巷距离井田边界约 360 m，由前期探查所得的 老空区边界进入魏墙井田内最远 310 m 范围可知， 二盘区回风大巷可能距离南部张家洼老窑采空区最 近距离约 50 m 左右，但由于该老采空区开发时间 较早，且采掘工艺原始落后，前期探查成果还有待 于巷道掘进过程中进一步验证，由此，在二盘区回 风大巷掘进过程中， 超前另外 2 条大巷 100 m， 采用 超前探工程 （物探钻探） 对沿煤层前方掘进巷道进 行老采空区探查， 防止因老空水造成的危害。 根据煤矿防治水细则 、煤矿安全规程 [19-20] 等要求 （计算水压、 孔口管长度、 孔径、 超前距、 终孔 距、 配备相应排水设施等） ， 结合超前物探成果， 设 计超前钻探工程进行掘进探查。设计专用钻场内施 工 2 个超前探查钻孔沿 3 号煤层钻进， 平距 130 m， 探查无异常后允许掘进 100 m，预留 30 m 安全距 离， 在此期间， 如发现异常， 则另行布设钻孔。巷道 超前钻探工程钻孔平剖面图如图 3。 二盘区回风大巷延伸设计长度约 3 202 m， 超 前探查工程共布设有 34 个钻场，共施工 70 个超前 探查钻孔（含 2 个异常补孔） ，其中， 111和 24 34钻场为原设计超前探查平距 130 m， 1223 号钻 场位于老采空区邻近区域，为提高和保证探查精度 和可靠性， 故变更为超前探查平距 110 m， 探查无异 常后允许掘进 80 m， 预留 30 m 安全距离 （钻孔布置 形式同原设计） 。 根据现场探查发现，回风大巷掘进过程中所施 工超前钻孔大 部 分 为干 孔 （57 个钻 孔、占比 81.4） ， 少量为淋水 （淋水情况基本按 0.001 m3/h 计 算， 10 个钻孔、占比 14.3） ，个别钻孔出水 1 m3/h 左右 （3 个钻孔、 占比 4.3） 。 在 31钻场施工的 2 个钻孔中， 31-1钻孔在钻 进过程中局部 （钻进至 8489 m 处， 回风大巷里程 约 2 8842 889 m 处位置） 出现黄色泥质物， 终孔出 水 1 m3/h； 31-2钻孔自开始施工至终孔无出水情 况， 由此， 出于安全角度考虑， 在距离 31-1钻孔出 现黄色泥质物位置前 20 m 处进行补充 2 个钻孔进 行再次探查，具体为在煤层巷道掘进迎头施工 2 个 超前探钻孔， 沿煤层钻进， 超前探测距离 50 m， 掘进 20 m，预留 30 m 安全距离， 2 个补充超前探钻孔形 态同前设计，即 31’ -1钻孔沿巷道方向， 31’ -2钻 孔向南偏移， 终孔距巷帮 16 m （区内巷道掘进塑性 区基本在 5 m 左右） [26-27]。 经再次探查， 31’ -1孔钻进距离 50 m， 31’ -2 孔钻进距离 51 m， 该 2 个钻孔在钻进过程中再未出 现黄色泥质物， 终孔出水均约 1 m3/h， 无压力、 无异 图 2地面钻孔电视测井照片 Fig.2The TV logging photo of ground borehole 226 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 常气体涌出。由此分析之前 31-1钻孔出现异常为 区内侏罗纪煤田含煤岩系延安组煤层在沉积过程中 局部的冲刷或风化带胶结物，一般情况下对矿井安 全生产及该巷道掘进影响不大，回风大巷可继续安 全掘进。经井下掘进揭露， 再未出现异常情况， 最终 二盘区回风大巷完成延伸掘进任务。 3水化学测试 通过采集二盘区回风大巷掘进过程中超前钻孔 出水水样（2 组） 和掘进巷道顶板锚索淋水水样 （1 组） 进行水质全分析， 对比以往开采的 6 个工作面顶 板探放水钻孔水样 （12 组） ， 以及区内老空水水样 （3 组） ， 分析其离子含量、 水质类型及水化学特征[28-29]， 以此判别巷道掘进过程中钻孔是否探查到老空水。 1） 以往工作面顶板水。矿井先期开采有 1301、 1303、 1305、 1307、 1309、 1311 工作面， 在采前对工作 面回采后可能波及的顶板侏罗系直罗组底部和延安 组砂岩含水层水进行疏放， 选取采集水样 18 组进行 水质全分析测试。发现其 pH 值在 7.517.96 之间， 均为偏碱性水，共矿化度在 8 010.010 316.4 mg/L 之间， 属咸水 （盐水浓度 10 000 mg/L） 。Na浓度为 2 355.22 834.9 mg/L， Ca2浓度 239.3455.9 mg/L， SO42-浓度为 5 170.36 734.0 mg/L， Cl-浓度 121.4 327.9 mg/L， HCO3-浓度为 144.5188.6 mg/L， 水质类 型均属 SO4-Na 型水，以往开采工作面顶板水 Piper 图如图 4。 2） 本次巷道掘进钻孔水和区内老空水。二盘区 回风大巷掘进过程中发生有个别钻孔少量出水 （1 m3/h ） ， 并伴随有少量黄色泥质物， 分析为煤系地层沉 积冲刷弱胶结物。结合巷道掘进后支护锚索淋水 （侏 罗系延安组含水层水） ，与区内老空水采集水样进 行对比分析， 判断本次钻孔出水的水质特征和来源。 本次超前探查钻孔出水水样其 pH 值在 7.84 7.92 之间， 显示为弱碱性水， 其矿化度在9 212.4 9 368.6 mg/L 之间。Na浓度为 2 685.82 703.1 mg/L， Ca2浓度为 302.6335.2 mg/L， SO42-浓度为 5 557.1 5 716.2 mg/L， Cl-浓度为 355.3368.7 mg/L， HCO3-浓 度为 239.0256.1 mg/L， 水质类型也为 SO4-Na 型水。 而采集的老空水水样含量则有所差异，其 pH 值在 5.86.2 之间， 显示为弱酸性水， 矿化度在 4 897.2 5 031.4 mg/L 之间。Na浓度为 4.327.19 mg/L， Ca2 浓度 223.8275.9 mg/L， SO42-浓度 397.1422.3 mg/L， Cl-浓度为 1.55.8 mg/L， HCO3-浓度为 173.8233.9 mg/L， 水质类型也为 SO4 HCO3-Ca Mg 型水， 巷道掘 进出水与老空水 Piper 图如图 5。 3） 综合分析。根据以往工作面顶板含水层水样、 本次巷道掘进超前钻孔水样、巷道顶板锚索水样和 老空水样进行对比，发现本次巷道掘进超前钻孔水 样与煤层顶板含水层的水质类型、离子含量及水化 学特征等相近，而区内老空水水样与其他水体的水 质特征则相差较大，故认为矿井二盘区回风大巷掘 进过程中超前探查钻孔未揭露老采空区， 对此， 水化 学测试成果在整个巷道完成掘进后未发现老矿井巷 道及以往采掘痕迹也可作为相互验证。 4结论 1） 井下二盘区各大巷延伸掘进掘进过程中顶板 充水来源于侏罗系延安组砂岩弱富水含水层，对掘 进影响不大，而井田边界南部的张家洼老矿井采空 区则存在较严重威胁。 2） 在回风大巷掘进前期， 开展地面三维地震、 瞬 图 5巷道掘进出水与老空水 Piper 图 Fig.5Piper map of roadway tunneling water samples and goaf water 图 4以往开采工作面顶板水 Piper 图 Fig.4Piper map of roof aquifers water in previous mining face 227 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 变电磁等物探工程圈定老采空区及富水异常区， 而 后采用地面钻探和电视测井的方法进行直观验证， 确定未来大巷掘进区域存在有老采空区。 3） 在回风大巷掘进过程中， 采取井下超前钻探 对前方是否存在老采空区及积水情况进行探查； 并 通过钻孔出水和以往水样、老空水样等进行水化学 特征对比分析，最终判断确定回风大巷延伸不受老 空水影响， 保证巷道安全完成掘进工作。 参考文献 ［1］ 董书宁.对中国煤矿水害频发的几个关键科学问题的 探讨 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （1） 66-71. ［2］ 靳德武， 刘英锋， 刘再斌， 等.煤矿重大突水灾害防治 技术研究新进展 ［J］ .煤炭科学技术， 2013， 41 （1） 25. ［3］ 刘忠全， 李启发.神华集团公司煤矿水害防治技术 ［J］ . 煤炭工程， 2017， 49 （S2） 22-25. ［4］ 梁庆华.中国南方煤矿水害勘查与治理 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （2） 171-173. ［5］ 题正义， 张峰， 秦洪岩， 等.上覆不明采空区积水危险 性判定技术研究 ［J］ .华中师范大学学报 （自然科学 版） ， 2019， 53 （6） 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